a nanotecnologia na conservaÇÃo e consolidaÇÃo do ...€¦ · conteúdo 1. importância de...
Post on 18-Jul-2020
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
A NANOTECNOLOGIA NA
CONSERVAÇÃO E
CONSOLIDAÇÃO DO
PATRIMÓNIO
Rosário Veiga
rveiga@lnec.pt
Conteúdo
1. Importância de conservar o património (em vez de renovar)
2. Principais ações de conservação – papel da nanotecnologia
3. Consolidação com nanomateriais – resultados de um estudo
de investigação – projeto Limecontech
4. Conclusões
LNEC | 2
Conservar o Património
Importância de conservar o património (em vez de renovar)
• O Património edificado com valor cultural no nosso País
é imenso: os monumentos, os centros históricos, os
bairros históricos, os edifícios que apresentam técnicas
e materiais muito próprios, em vias de esquecimento e
que é urgente recuperar.
• Todos esses edifícios, com as suas características
próprias, são fortemente identificadores das cidades e
locais onde se integram.
• Têm um valor cultural que é reconhecido e que
depende dessas características muito específicas.
• Por isso devem ser o menos alterados possível.
LNEC | 3
Conservação implica:
• Limpeza
• Descontaminação biológica
• Proteção contra a humidade
• Isolamento térmico (?)
• Consolidação
LNEC | 4
Conservar o Património
Limpeza
Os poluentes que se acumulam nas superfícies das fachadas – NO, NO2, SO2, VOCs) são extremamente agressivos para os materiais antigos. Por isso é fundamental manter as fachadas limpas.
Métodos:
• Jato de água
• Jato de ar
• Jato abrasivo
• Laser
• Produtos nanoestruturados fotocalíticos de auto-limpeza: a capacidade de auto-limpeza é potenciada pela reduzida dimensão da partícula (grande superfície específica)
LNEC | 5
Limpeza
Limpeza
• Produtos nanoestruturados fotocalíticos de auto-
limpeza: TiO2, é normalmente considerado o mais
eficiente e compatível.
• Funcionam por decomposição química dos contaminantes:
• Partículas de TiO2 são iluminadas por fotões com energia superior
à banda de valência (neste caso de 3,2 eV, correspondente a um
comprimento de onda < 385 nm) os eletrões desse nível são
excitados, passando para a banda de condução e gerando
lacunas. Estas alterações de estrutura geram capacidades
redutoras e de oxidação e potenciam a decomposição de
moléculas contaminantes.
• É eficiente para fachadas bem iluminadas, com elevada radiação
ultra-violeta (por ex. cidades do sul da Europa).
• A eficiência depende da superfície específica e da boa dispersão
das partículas – portanto é potenciado pela dimensão nano das
partículas.
LNEC | 6
Limpeza
Descontaminação biológica Os agentes biológicos – fungos, bactérias… – são
agentes agressivos: estética e ataque ácido
• Biocidas
• Nanomateriais fotocalíticos com propriedades
bactericidas. Os radicais de oxigénio O2- e OH- formados
por ação fotocalítica destroem a membrana celular,
resultando na morte das células de organismos vivos.
Esta ação só ocorre durante a exposição à luz.
LNEC | 7
Descontaminação biológica
Água
• A água é um dos principais agentes de degradação de
materiais porosos, atuando por via física, química e biológica.
• A proteção contra a água deve portanto ser encarada sempre
que necessário: implica conhecer a origem da água.
• Se a água vem do exterior a aplicação de hidrófugos é uma
hipótese a considerar.
• Muitas vezes a aplicação de hidófugos prejudica mais do que
protege.
• Ao escolher um hidrófugo para aplicação na parede de um
edifício antigo, considerar os seguintes requisitos:
Não reduzir a permeabilidade ao vapor de água
Não alterar o processo de evaporação: interferência na
respirabiliddae da parede
Não alterar o aspeto visual
LNEC | 8
Proteção contra a humidade
Hidrófugos
• Hidrófugos “clássicos”:
Silicones
Silicatos
Siloxanos
Silanos
Produtos mistos ou aplicações combinadas
• Os hidrófugos clássicos dificilmente verificam os requisitos referidos.
• Há um papel para produtos nanoestruturados com esta função?
• O TiO2 adquire hidrofobicidade por via fotocalítica em superfícies
expostas à radiação ultravioleta.
• As nanopartícula de TiO2 podem ser incorporadas em emulsões de
silanos e siloxanos.
• Existem outros tipos de hidrófugos nanoestruturados já no mercado.
• Estes produtos poderão ser eficientes e verificar os requisitos de
respirabilidade da parede e de preservação do aspeto? Alguma literatura
afirma que sim.
. LNEC | 9
Proteção contra a humidade
Isolamento térmico
• O isolamento térmico é hoje uma exigência da
construção, para redução do consumo de energia de
aquecimento e de arrefecimento.
• Conciliar essa exigência com os edifícios antigos é difícil
porque os isolantes térmicos clássicos:
Reduzem a permeabilidade ao vapor de água e a
respirabilidade da parede
Se forem colocados pelo interior reduzem a área livre e
reduzem a inércia térmica essencial para o conforto de verão.
Se forem colocados pelo exterior alteram significativamente
as fachadas e descaracterizam os edifícios
LNEC | 10
Isolamento térmico
Isolantes térmicos
• Isolantes clássicos:
EPS, XPS, MW, ICB - l = 0,035 a 0,040 W/m.k
(60 mm passa U = 1,30 para U = 0,45 W/m2.k)
• Isolante nanoestruturado:
Aerogel de sílica - l = 0,002 W/m.k (Borderon, 2014)
(embora resultados de outros autores apontem para
valores mais moderados…)
Muito menor espessura para o mesmo isolamento
Respirabilidade (?) (M. Jenkins, 2014)
LNEC | 11
Isolamento térmico
Consolidação
Uma das anomalias frequentes e difíceis de tratar em superfícies
arquitetónicas antigas – de pedra, argamassa de cal ou outros
materiais – é a perda de coesão.
Consiste na perda de ligação entre as partículas da argamassa, devido
a causas físicas, químicas ou biológicas que normalmente se
traduzem em perda do ligante ou enfraquecimento do ligante..
O tratamento conservativo exige o recurso a técnicas de consolidação,
restituindo a .ligação perdida.
Principais consolidantes utilizados:
• Água de cal (hidróxido de cálcio em baixa concentração)
• Silicato de etilo (e outros silicatos - TEOS)
• Barite
• Resinas acrílicas ou epóxidas pouco compatíveis
• Produtos nanoestruturados de cal (nanocal) – dispersões
alcoólicas (etanol ou propanol) coloidais de alta estabilidade
• Produtos nanoestruturados de sílica (nanossílica)
• Aplicações combinadas
LNEC | 12
Consolidação
• Compatibilidade com argamassas de cal e economia
• Regenera o ligante cal
• Contem só 2 g/L of Ca(OH)2 reduzido efeito consolidante
(efeitos positivos só com elevado número de aplicações).
Água de cal
Silicato de Etilo
• Muito usado em pedra de natureza siliciosa
• Hidrólise dos esteres de ácido silícico e formação de sílica
amorfa.
Consolidação
Consolidantes minerais mais usados
• Tamanho reduzido das particulas (50-100nm)
• Elevada area específica; elevada reatividade; rápida carbonatação
• Maior penetração nos poros da argamassa
• Compatibilidade e elevada estabilidade da dispersão
Dispersão de nanopartículas
de hidróxido de cálcio em
álcool (partículas 50 – 100 nm)
• Nanorestore; CaloSil IP5 e CaloSil IP25
Consolidação
Produtos nanoestruturados de cal
• Tamanho reduzido das particulas (50-100nm)
• Elevada area específica, elevada reatividade; rápida carbonatação
• Maior penetração nos poros da argamassa
• Compatibilidade e elevada estabilidade da dispersão
Dispersão de nanopartículas
de hidróxido de cálcio em
álcool (partículas 50 – 100 nm) • Nanorestore; CaloSil IP5 e CaloSil IP25
Consolidação
Produtos nanoestruturados de cal e aplicações combinadas
Silicato de Etilo
• Muito usado em pedra de natureza siliciosa
• Hidrólise dos esteres de ácido silícico e formação de sílica amorfa
• Escolha de um produto com baixa concentração de silicato de
etilo (5%) após experiências preliminares
Aplicação combinada • Estel 1000
• Tamanho reduzido das particulas (10-20nm)
• Elevada area específica, elevada reatividade
• Maior penetração nos poros da argamassa
• Após a evaporação da água as partículas de nanossílica agregam-se
formando um gel de silicato
• Pode ser aplicada em condições húmidas
Dispersão aquosa de sílica coloidal
nanoestruturada diluída em 8 partes de água
(partículas 10-20 nm)
• Nano Estel
Consolidação
Produtos nanoestruturados de sílica (nanossílica)
Residuo seco (Áqua cal + silicato Etilo)
Medição do pH Residuo seco da áqua cal
Residuo seco (áqua cal + metacaulino)
Secagem em estufa dos produtos
Residuos secos dos varios produtos
Após preparação dos produtos e antes da aplicação: medição do pH, tempo de
decantação, resíduo seco.
Consolidação
• Eficácia
• Compatibilidade
• Durabilidade
• Impacto ambiental
LNEC | 18
Ensaios antes e após consolidação
Ensaios antes e após envelhecimento
artificial acelerado
Análise ambiental: energia incorporada,
incorporação de reciclados / potencial de
reciclagem, emissões de CO2, de COVs, etc.
Consolidação
Verificações
Tratamento de argamassas de baixo teor de ligante para
simular a perda de coesão
LNEC | 19
Consolidação
• 10 aplicações consecutivas (esperando total absorção); produtos líquidos
nebulizados manualmente (T=23ºC, HR=50%)
• No caso das aplicações combinadas de Nanocal e (Água de cal + Silicato etilo
5%), foram feitas 5 aplicações consecutivas de cada produto
Consolidação
Aplicação
• Resistência mecânica: durómetro (escala Shore A),
resistência à compressão e à flexão
• Variação da absorção de água (tubos de karsten)
• Alterações cromáticas (escala NCS)
• Caracterização microestructural e microquímica:
Estereomicroscópio
Microscópio eletrónico (MEV-EDS)
21
Consolidação
Caracterização dos tratamentos consolidantes
Avaliação antes e após consolidação (28, 90,180 e 360 dias)
• Aumento da resistência à compressão com todos os
consolidantes
• Aumento superior com a nanocal mais concentrada, com as
aplicações combinadas e com a nanossílica – aumentos
superiores a 100%
MP
a Consolidação
Resistência à compressão S
/Tra
tam
Nan
ore
sto
re
Nan
ore
sto
re +
(ág
.cal
+si
lEt)
Nan
ore
sto
re
+ S
ilEt
Cal
osi
l 25
+S
ilEt
Nan
oss
ílica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Compressão 28, 90, 180, 360 d
Cal
osi
l 25
Cal
osi
l 5
• Aumento da resistência à flexão com todos os
consolidantes.
• Aumento superior com a nanocal mais concentrada e a
nanossílica
MP
a Consolidação
Resistência à flexão S
/Tra
tam
Nan
ore
sto
re
Nan
ore
sto
re +
(ág
.cal
+si
lEt)
Nan
ore
sto
re
+ S
ilEt
Cal
osi
l 25
+S
ilEt
Nan
oss
ílica
Cal
osi
l 25
Cal
osi
l 5
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
Flexão
• Aumento da dureza superficial com todos os
consolidantes.
• Aumento superior com a nanocal mais concentrada sem
e com silicato de etilo
MP
a Consolidação
Dureza superficial S
/Tra
tam
Nan
ore
sto
re
Nan
ore
sto
re +
(ág
.cal
+si
lEt)
Nan
ore
sto
re +
SilE
t
Cal
osi
l 25
+S
ilEt
Nan
oss
ílica
Cal
osi
l 25
Cal
osi
l 5
60
65
70
75
80
85
Dureza superficial Shore A – 28, 90, 180, 360 d
• Diminuição ligeira da
absorção de água com as
nanocais, mesmo com
silicato de etilo.
• A nanossilica reduz
significativamente a
permeabilidade à agua.
Consolidação
Tubos de Karsten (tempo de absorção)
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8
S/T
rata
m
Nan
ore
sto
re
Nan
ore
sto
re +
SilE
t Cal
osi
l 25
Nan
oss
ílica
Te
mp
o
(s)
26
Nanorestore Ag.Cal + Silicato Etilo 5% Nanorestore +
(Ag.Cal + Silicato Etilo 5%)
• Leve branqueamento da superfície no caso dos tratamentos com elevadas
concentração de nanocal (IP25) e com tratamentos combinados com nanocal e silicato
de etilo.
• Leve amarelecimento da superfície nos tratamentos com nanossílica.
Consolidação
Variações cromáticas – Escala NCS
Consolidação
• Os resultados mostraram que todos os consolidantes
testados originaram aumentos da resistência à flexão
e à compressão.
• Aumentam também a dureza superficial e reduzem a
absorção.
• Em todos os casos são variações moderadas.
• Os mais eficientes pareceram ser as aplicações
combinadas de nanocal e silicato de etilo, a nanocal
com maior concentração (Calosil IP25) e a
nanossílica, com aumentos de resistência superiores
a 50%.
• A penetração dos consolidantes variou entre 1,5 mm e
7 mm.
• Nanocal: distribuição homogénea, redução das fissuras, deposição do produto nas porosidades mas
sem oclusão dos poros; IP25 cria uma patina branca na superfície.
• Combinados:distribuição mais heterogénea ;formação de agregados planares e fissuras.
Nanorestore Referência – sem consolidação
Calosil
IP5 IP25
Nanorestore +
(agua de cal + Sil. Et. 5%)
Calosil IP25 +
(Agua de cal + Sil. Et. 5%)
Nanorestore + Sil. Et. 5%
Consolidação
Microscopia ótica – superfície de fratura
29
Calosil IP5 : baixa concentração, bem
homogeneizado entre o ligante original
Calosil IP5 e IP25
Calosil IP25 : Preenchimento dos poros,
distribuição uniforme; as nanopartículas (50-
100 nm) formam agregados maiores, com
dimensão até 500-600 nm; o álcool evita a
agregação imediata das partículas, e garante
uma distribuição uniforme.
Microscopia eletrónica - MEV-EDS
Consolidação
Combinado (Nanorestore) + (Ag. Cal + Sil. Et. 5%)
• Silicato de etilo parece incorporar cálcio: formação de
silicatos de cálcio;
• Estas formações justificam os elevados resultados
mecânicos mas distribuição heterogénea;
• Nanocal funciona como um pre-consolidante e a
sucessiva formação de silicato de etilo incrementa a
resistência superficial. Evitar utilizar nesta
aplicação a água de cal
Consolidação
Microscopia eletrónica - MEV-EDS
31
• Consolidante bem distribuído, efeito re-agregante mas
notam-se depósitos de material em alguns spots;
• Análise EDS confirma a possivel formação de produtos
hidráulicos que podem explicar a ausência de fissuras e
a maior durabiliadade do tratamento.
Combinado (Nanorestore) + (Sil. Et. 5%)
Consolidação
Microscopia eletrónica - MEV-EDS
32
Aplicações combinadas (Nanocal) + (Água de cal + Silicato Etilo 5%):
• Aumento significativo da resistência mecânica e bom efeito consolidante
• Nanocal funciona como pre-consolidante, com distribuição homogénea; o sucessivo
tratamento com silicato de etilo garante uma aumento notável da resistência mecânica,
mas podem-se formar agregados planares que interferem na penetração do consolidante
• O silicato de etilo não deve ser diluído em água de cal mas sim aplicado diretamente
Nanocais:
• Nanorestore e CaloSil IP5 evidenciam um aumento moderado da resistência mecânica
(reduzida concentração de cal), mas distribuição uniforme e boa penetração
• CaloSil IP25 garante maior resistência mecânica comparativamente os outros
nanoprodutos mas origina leve branqueamento da superfície tratada
• As aplicações combinadas podem resolver as desvantagens dos produtos aplicados
singularmente.
Consolidação
Consolidação
• G. Borsoi, M. Tavares, R. Veiga, A, Santos Silva, Microstructural and physical-
mechanical analysis of the performance of nanostructured and other
compatible consolidation products for historical renders, Materials and
Technology Magazine, 46 (2012) 3, p. 93-96.
• G. Borsoi, M. Tavares, R. Veiga, A, Santos Silva, Microstructural characterization
of consolidant products for historical renders: an innovative nanostructured
lime dispersion and a more traditional ethyl silicate limewater solution,
Microscopy & Microanalyses, Vol. 18, issue 05 (2012), pp. 1181-1189.
• G. Borsoi, M. Tavares, R. Veiga, A. Santos Silva, Studies of the performance of
nanostructured and other compatible consolidation product for historical
renders, Materials Science Forum, Vols. 730-732 (2013) p. 604-610.
• P. Pascoal, G. Borsoi, R. Veiga, P. Faria, A. Santos Silva, Consolidation and
chromatic reintegration of historical renders with lime-based pozzolanic
products, submitted to Studies in Conservation, Junho 2013.
Resultados do Projeto Limecontech (Bolseiro Giovanni Borsoi)
Consolidação
• G. Borsoi, M. Tavares, R. Veiga, A. Santos Silva, Studies of the performance of
nanostructured and other compatible consolidation products for historical
renders, VI International Materials Symposium – Materials 2011 - XV meeting of SPM
– Portuguese Material Society; Guimarães, Portugal, 18-20 April 2011.
• G. Borsoi, M. Tavares, R. Veiga, A. Santos Silva, Microstructural and physical-
mechanical analysis of the performance of nanostructured and other
compatible consolidation products for historical renders, 13th Euroseminar on
Microscopy applied to Building Materials – EMABM 2011; Ljubljana, Slovenia, 14-18
June 2011.
• G. Borsoi, R. Veiga, A, Santos Silva, Consolidação de argamassas históricas de
revestimento com produtos compatíveis – avaliação da eficácia, 4º Congresso
de Argamassas e ETICS, APFAC, 29-30 March 2012, Coimbra, Portugal.
• G. Borsoi, R. Veiga, A, Santos Silva, Avaliação da eficácia de consolidantes
pozolânicos para argamassas históricas - propriedades mecânicas e
microestrutura, 4º Encontro sobre patologia e reabilitação de edifícios, 12-14 Abril
2012, Santiago de Compostela, Espanha.
Resultados do Projeto Limecontech (Bolseiro Giovanni Borsoi)
Consolidação
• G. Borsoi, R. Veiga, A. Santos Silva, Projecto LIMECONTECH - Consolidação com
produtos compatíveis, Jornadas Europeias do Património 2012 - “O Futuro da Memória”,
28 a 30 de setembro 2012, LNEC, Lisboa.
• P. Pascoal, G. Borsoi, R. Veiga, P. Faria, Consolidation and chromatic reintegration of
historical renders – study of the influence of the pigment addiction, Construction 2012,
Coimbra, Portugal, 18-20 December 2012.
• G. Borsoi, R. Veiga, A. Santos Silva, Nanostructured lime-based and silica-based
materials for the conservation of ancient renders: an open challenge, 1st International
Conference on Innovation in Art Research and Technology, Hercules Laboratory - University
of Évora, 10th-13th July 2013.
• G. Borsoi, R. Veiga, A. Santos Silva, Effect of nanostructured lime-based and silica-
based products on the consolidation of historical renders, 3rd Historic Mortars
Conference, 11-14 September 2013, Glasgow, Scotland.
• G. Borsoi, P. Pascoal, J.P. Pinto, R. Veiga, P. Faria, A. Santos Silva, Chromatic
reintegration of historical mortars with lime-based pozzolanic consolidant products,
3rd Historic Mortars Conference, 11-14 September 2013, Glasgow, Scotland.
Resultados do Projeto Limecontech (Bolseiro Giovanni Borsoi)
• Potencial dos nanomateriais para a conservação do Património
Histórico
• Soluções para autolimpeza, descontaminação, consolidação
• Possivelmente para hidrofugação e isolamento térmico
• Soluções estudadas para consolidação
• Possibilidade de reduzir os inconvenientes: maior penetração, menor
espessura, maior respirabilidade, maior eficácia…
LNEC | 36
Nanomateriais e conservação
• Património construído com valor cultural: conservar, reparar, consolidar, proteger
(não destruir nem descaracterizar)
• Os nanomateriais podem ter um papel significativo:
Auto-limpeza
Descontaminação biológica
Proteção contra a água
Isolamento térmico
Consolidação
• Vantagens à partidas destes materiais:
Maior superfície específica
Maior reatividade
Maior penetração
LNEC | 37
Conclusões
OBRIGADA PELA VOSSA ATENÇÃO
LNEC | 38
FIM
top related